Инженерно-геологические исследования в мелководных зонах морей и океанов, и в первую очередь в прибрежной зоне при глубине акватории до 50 м, в настоящее время осуществляются преимущественно с целью обеспечения проектирования и строительства морских гидротехнических сооружений (причалов, каналов, волноломов) или выполнения технических мероприятий (дноуглубление, искусственные основания и т. д.).
Эти исследования производятся по двум направлениям:
а) бурение инженерно-геологических скважин с отбором образцов и монолитов грунтов и последующим исследованием последних в грунтовых лабораториях;
б) проведение инженерно-геологических исследований с помощью специальной аппаратуры в натурных условиях.
Некоторые из основных методов и средств инженерно-геологических исследований в мелководной зоне рассматриваются в ряде специальных работ.
Скважины в мелководной зоне для инженерно-геологических целей бурят с различных плавучих средств (малые суда, понтоны, плоты и т. д.) на глубину до 50—100 м с помощью стандартных буровых установок. В тех случаях, когда требуются сведения о свойствах ненарушенных образцов грунта (в особенности слабых илистых и глинистых осадков), последние отбираются специальными грунтоносами — поршневыми (вдавливаемыми) и обуривающими.
Принцип работы поршневых грунтоносов при отборе слабых грунтов следующий: перед отбором пробы грунта с необходимых глубин поршень должен плотно закрывать сменный цилиндр. После поднятия поршня и заполнения цилиндра пробой грунта грунтонос поднимается на поверхность. Вакуум, создаваемый поршнем, не допускает выпадения грунта из грунтоноса. Отобранная проба грунта вместе с цилиндром отделяется от остальных частей грунтоноса, закрывается, парафинируется и направляется для исследований в лабораторию.
Конструкций вдавливаемых в породу грунтоносов, использующих вакуум для удержания в них грунта (или иной принцип удержания), в настоящее время достаточно много (свыше 25). Все они мало отличаются друг от друга, представляя собой стаканы или гильзы различной длины и диаметра с разнообразными приспособлениями для удержания грунта при подъеме (диафрагмы, лепестки, пружины и т. д.).
В СССР хорошо зарекомендовал себя вакуумный грунтонос, в верхней части рабочего цилиндра которого имеется отверстие с клапаном (в виде шарика). При погружении грунтоноса в слабый грунт клапан приподнят, при подъеме он опускается, вследствие чего в рабочем цилиндре создается вакуум. При использовании этого типа грунтоноса в рабочий цилиндр вставляются две плашки (металлические или парафинированные картонные), в которые поступает грунт. Из поднятого грунтоноса плашки вынимаются вместе с грунтом (получается монолит), парафинируются и направляются в лабораторию. Песчаные отложения ненарушенной структуры могут отбираться также путем использования вакуума. В этом случае грунтонос погружается в песчаные отложения задавливанием, воздух и вода при этом выходят через отверстие, находящееся в верхней части грунтоноса. Наличие отверстия с клапаном не всегда может обеспечить представительный отбор песка. Для обеспечения представительного отбора сравнительно ненарушенных образцов песка румынские специалисты предложили создать у основания грунтоноса воздушную подушку путем подачи в эту часть сжатого воздуха.
Для отбора пластичных глинистых и уплотненных песчаных грунтов целесообразно применять обуривающие грунтоносы, например конструкции С. М. Большакова или ВСЕГИНГЕО. Грунтонос С. М. Большакова состоит из винтовой коронки и двух цилиндров — наружного, завинчивающегося в грунт и обу-ривающего столб грунта, и внутреннего пробоотборного, поступательно перемещающегося вниз, в который входит грунт. При отборе ненарушенного образца (монолита) винтовая коронка (соединенная резьбой с наружным цилиндром) ввинчивается в забой скважины, при этом грунт входит во внутренний цилиндр, вытесняя попавшую сюда воду (через обратный клапан).
Автором разработана конструкция универсального грунто-отборника. Особенностью его является возможность использования для отбора проб грунта как на стоянках, так и на ходу судна (длина пробы 1,5 м), а также для отбора грунта в скважинах путем обуривания (длина образца 30 см). Основными частями универсального грунтоотборника являются: породо-разрушающий инструмент с затвором, наружный корпус, внутренний корпус, стабилизатор, груз, породоразрушающий инструмент грунтоноса с резаками, внутренний цилиндр грунтоноса с клапаном.
Отобранные в процессе бурения нарушенные и ненарушенные образцы и пробы донных грунтов после их визуального описания поступают в лабораторию для исследования.
Для инженерно-геологических изысканий на строительных площадках разработаны и применяются различные комплексы полевых лабораторий (ЦНИИС, ВСЕГИНГЕО, ЮЖНИИ и др.), которые могут быть с успехом использованы при исследованиях на море. Так, полустационарная грунтовая лаборатория ЦНИИС дает возможность определить в полевых условиях практически весь комплекс свойств грунтов, необходимый для проектирования морских сооружений: гранулометрический состав, плотность, среднюю плотность, влажность и пористость, пластичность, коэффициент фильтрации, сопротивление сдвигу, сжимаемость и др. Оборудование лаборатории размещено в двадцати трех деревянных упаковках, обеспечивающих удобство транспортировки и хранения в экспедиционных условиях. Полевые лаборатории ЮЖНИИ (И. И. Литвинова) и ВСЕГИНГЕО предназначены для определения физических и механических свойств всех типов связных и сыпучих грунтов.
Удачной моделью геотехнического прибора, на котором можно определять сопротивление сдвигу, сжимаемость, структурную прочность и пределы пластичности на месте полевых исследований, является универсальный геотехнический прибор (УГП) конструкции В. И. Савельева. Этот прибор широко распространен при изысканиях для морского строительства. Масса УГП 21 кг, габаритные размеры 58×32×15 см, площадь рабочего кольца 40 см2.
Рис. 1. Универсальный геотехнический прибор — УГП
В практике инженерно-геологических исследований морского побережья и прибрежья натурные испытания грунтов естественных оснований сооружений имеют первостепенное значение. Чем сложнее строительный объект, чем надежнее и достовернее должны быть расчетные характеристики грунтов, тем больше значение, важность и объемы натурных испытаний. В зависимости от типа проектируемых и возводимых сооружений, от общих геологических условий и свойств грунтов оснований состав методов и технических средств натурных испытаний может изменяться.
При работах на морском побережье, а также частично в пределах мелководных акваторий в состав комплекса методов и средств натурных испытаний входит:
1) статическое и динамическое зондирование (пенетрация);
2) испытания крыльчаткой (метод вращательно,го среза);
3) испытания штампами;
4) пенетрационно-каротажные испытания;
5) прессиометрические (дилатометрические) исследования.
Натурные испытания грунтов морского дна в настоящее время ограничены преимущественно глубиной акватории 15—20 м.
Все отечественные и зарубежные конструкции зондов (пенетрометров) просты и состоят из залавливающего (при статическом зондировании) или ударного (при динамическом зондировании) устройства; штанг, передающих усилие на основной элемент зонда — конус (породоразрушающий инструмент); измерительного блока (измерение давления на конус и деформаций зонда). В СССР применяют зонды конструкции ЦНИИС, ДИИТ и НИИОСП, за рубежом метод стандартной пенетраций (масса молота и высота его падения стандартизированы) широко используют в США, Франции, Швеции и других странах.
Испытания крыльчаткой (вращательным срезом) проводят в условиях, когда требуется оценить структурную прочность и сопротивление сдвигу в естественном залегании илистых и пластичных глинистых грунтов. Наиболее распространенные конструкции крыльчатых (лопастных) приборов состоят из трех основных частей: рабочего органа в виде четырехлопастной крыльчатки (диаметр 7—10 см, высота лопастей 15—20 см); стандартных штанг, несущих крыльчатку; оперативного (измерительного) столика. Испытания крыльчаткой могут осуществляться как в скважинах, так и вне их. Опуская крыльчатку в скважину, наращивают штанги до тех пор, пока она не опустится на забой, где производится замер.
Рис. 2. Установка для испытания грунтов вдавливанием штампов
В практике проектирования и возведения морских гидротехнических сооружений нередки случаи, когда необходимы данные о механических характеристиках донных грунтов в их естественном залегании с помощью испытаний вдавливанием штампов. Эти испытания особенно важны тогда, когда требуется оценка изменения деформативных свойств грунтов во времени. Для этого можно использовать круглые штампы диаметром 15, 35, 50 и 70 см. Техника и методика этих испытаний в прибрежной зоне шельфа разработаны автором. Испытания вдавливанием штампов производятся с помощью специально разработанной установки (рис. 43), монтируемой на понтоне. Она состоит из четырех основных частей: устройства или приспособления, обеспечивающего нормальную статическую нагрузку (домкраты или загружные площади); направляющих труб или штанг, передающих нагрузку на штанги; круглых штампов различного диаметра; измерительного устройства (манометры и приспособления для замера деформаций грунта).
Пенетрационно-каротажный метод натурных испытаний грунтов основан на одновременном применении двух методов — статического зондирования и радиоактивного каротажа. Для количественного определения некоторых физических и механических свойств грунтов используют методы: гамма-гамма каротажа (определение средней плотности); нейтрон-нейтронного каротажа (определение влажности); гамма-каротажа для расчленения осадочных грунтов по их естественной радиоактивности; статическое зондирование (с использованием датчиков лобового и бокового трения) для оценки деформативных и прочностных свойств грунтов. Этот весьма сложный комплекс средств монтируется на специальном понтоне, конструкция всей установки разработана ВСЕГИНГЕО.
Этот метод вследствие трудоемкости и сложности испытаний еще не нашел широкого применения в морских инженерно-геологических исследованиях.
Метод прессиометрических (дилатометрических) испытаний, детально разработанный и широко внедренный в практику инженерных изысканий на суше во Франции и США (автор Л. Менар), применяется для оценки прочностных свойств грунтов (сопротивление сдвигу, сжимаемость). Прессиометр, с помощью которого выполняют рассматриваемые испытания, состоит из следующих основных частей: гибкого зонда, погружаемого в буровую скважину, на котором располагается основная часть прибора — цилиндр с эластичными стенками, разделенный на три камеры давления; манометра и вольтметра (находящихся на поверхности). При заполнении эластичного цилиндра водой (или газом) он оказывает давление на грунт, пропорциональное“ деформации цилиндра и соответственно объему заполняющей воды (или газа). Натурные прессиометрические испытания весьма сложны, требуют трудоемких расчетов и в практику морских исследований еще не внедрены.
ВНИИМОРГЕО разработан и испытан морской вариант прессиометра (ДМ-108), с помощью которого определяют модуль деформации, сцепление и угол внутреннего трения слабых и обводненных грунтов. Установка имеет следующую характеристику:
«ЧерноморНИИпроект» создал ряд устройств для исследования механических свойств грунтов в натурных условиях: установку «лопасть—штамп» для изучения деформативных свойств грунтов статическими нагрузками, установку «Иски-метр» для определения в буровой скважине сопротивления грунтов резанию и др.